L-高絲氨酸又稱2-氨基-4羥基丁酸，屬于天冬氨酸家族，L-高絲氨酸雖然不是合成蛋白質(zhì)的氨基酸，但卻具有豐富的生物活性，L-高絲氨酸是合成L-蘇氨酸、L-蛋氨酸、L-異亮氨酸的前體，同時(shí)L-高絲氨酸在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品、化工等領(lǐng)域都具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

近年來，隨著L-高絲氨酸市場需求的不斷增加以及代謝工程和合成生物學(xué)的快速發(fā)展，開發(fā)適合于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的L-高絲氨酸微生物細(xì)胞工廠吸引了越來越多研究者的關(guān)注。目前，微生物發(fā)酵生產(chǎn)L-高絲氨酸的研究方向主要集中在大腸桿菌（Escherichia coli）和谷氨酸棒狀桿菌（Corynebacterium glutamicum）。由于遺傳背景清晰，E.coli合成L-高絲氨酸的相關(guān)研究較為詳細(xì)。

近日，江南大學(xué)饒志明課題組在高效合成L-高絲氨酸方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在Metabolic Engineering雜志上：Development of a nonauxotrophic L-homoserine hyperproducer inEscherichia coliby systems metabolic engineering。

研究概述

正常情況下大腸桿菌中，葡萄糖經(jīng)過糖酵解后以乙酰輔酶A的形式進(jìn)入檸檬酸循環(huán)后轉(zhuǎn)化為草酰乙酸參與到高絲氨酸的合成中。首先在天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶（aspC）作用下轉(zhuǎn)化為天冬氨酸。天冬氨酸在天冬氨酸激酶(由thrA、metL、lysC編碼)、天冬氨酸半醛脫氫酶(由asd編碼)、高絲氨酸合成酶(由thrA、metL編碼)作用下催化為L-高絲氨酸。

L-高絲氨酸在大腸桿菌中的生物合成途徑及菌株構(gòu)建策略

本研究利用系統(tǒng)代謝工程策略將野生型大腸桿菌改造為非營養(yǎng)缺陷型和無質(zhì)粒的L-高絲氨酸高產(chǎn)菌株。首先，通過調(diào)控L-高絲氨酸降解途徑并增強(qiáng)合成流量構(gòu)建了產(chǎn)L-高絲氨酸的初始菌株。然后，基于基因組對L-高絲氨酸生物合成代謝通量進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，涉及與前體供應(yīng)相關(guān)的基因ppc、aspC和aspA、L-高絲氨酸合成途徑的基因thrAfbr和異源基因lysCfbrcgl，并通過修飾轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)促進(jìn)L-高絲氨酸外排。最后，針對氧化還原輔因子對L-高絲氨酸合成的重要性，提出一種輔因子協(xié)同利用的策略，通過促進(jìn)NADPH再生，以及引入異源的利用NADH的脫氫酶來協(xié)調(diào)菌體內(nèi)的氧化還原輔因子水平，從而進(jìn)一步提高了L-高絲氨酸的生產(chǎn)。最終構(gòu)建的工程菌株為非營養(yǎng)缺陷型，且發(fā)酵過程中無需添加抗生素、無需誘導(dǎo)，其在5L分批補(bǔ)料發(fā)酵中可以生產(chǎn)85.29g/L L-高絲氨酸，是無質(zhì)粒且非營養(yǎng)缺陷型菌株報(bào)道的最高生產(chǎn)水平。